熱效率超過42%的高效率汽油發(fā)動機的開發(fā)

【韓】 B.Lee H.Oh S.Han S.Woo

0 前言

針對汽車排放污染物和溫室氣體的減排措施來滿足全球范圍內(nèi)日趨嚴格的排放法規(guī)已是重大的挑戰(zhàn)。為了滿足目前全球?qū)ζ嚨沫h(huán)保性要求，對溫室氣體排放量極其低的混合動力汽車和純電動汽車已經(jīng)持續(xù)開發(fā)了幾十年。但是預(yù)計在未來一段時間內(nèi)內(nèi)燃機仍將在汽車主要傳動系統(tǒng)的動力源中占有更高比例。因此，包括汽車電動化技術(shù)和內(nèi)燃機熱效率提升技術(shù)對開發(fā)環(huán)境友好型汽車有著至關(guān)重要的作用。

稀薄燃燒技術(shù)是提高熱效率的眾多技術(shù)之一。稀薄燃燒包括均質(zhì)稀薄燃燒、分層稀薄燃燒和均質(zhì)充量壓燃（HCCI）均是目前最先進的汽油發(fā)動機燃燒技術(shù)。這些技術(shù)在未來可以使發(fā)動機熱效率有重大提升，但是目前還不能用于量產(chǎn)，仍存在很多技術(shù)難點和障礙。

此外，汽車制造商和研發(fā)機構(gòu)在汽油發(fā)動機的熱效率提升上作了很多努力［1－3］。目前，如圖1所示，通過采用阿特金森循環(huán)、高缸內(nèi)湍流、冷卻廢氣再循環(huán)（EGR）、降低摩擦和其他眾多降低發(fā)動機損失的技術(shù)，汽油發(fā)動機的最大熱效率可以達到40%［3－6］。

盡管作了這些努力，但為了滿足未來日趨嚴格的油耗法規(guī)和溫室氣體排放法規(guī)，必須進一步提高發(fā)動機熱效率。為此，汽油發(fā)動機系統(tǒng)和參數(shù)，如高滾流進氣道、高能點火系統(tǒng)、長行程設(shè)計、高壓縮比、降低爆燃傾向和降低摩擦需要進一步優(yōu)化和提高。

圖1 最大制動（有效）熱效率散點圖

1 試驗設(shè)備

試驗在裝有功率為250kW的交流測功機（型號為Horiba Dynas3LI250）的發(fā)動機臺架上進行。測功機上的扭矩儀（HBM T40）用于測試發(fā)動機扭矩，其測量精度大于99.5%。Coriolis流量計（型號為 AVL 735S）的燃油流量測量量程為0.2～125.0kg／h，測量不確定性小于0.12%，其用于測量燃油消耗。燃燒特性指標如平均指示有效壓力（IMEP）的變動系數(shù)（COV）、燃燒速度和50%已燃燃料質(zhì)量（MFB）均通過燃燒分析儀（型號為AVL INDISMART）獲得，采用曲軸轉(zhuǎn)角為0.1°CA步長的壓電式壓力傳感器（型號為Kistler 6056A）測量缸內(nèi)壓力信號。此外，使用壓縮行程系數(shù)為1.35和膨脹行程系數(shù)為1.27的多變指數(shù)調(diào)整零點漂移和計算放熱率。假設(shè)損耗角為0.7°CA，通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 000r／min的倒拖工況下的熱力學(xué)特征尋找上止點（TDC）。通過排放分析儀（型號為Horiba MEXA 9100EGR）分析排放污染物和 EGR率，該排放分析儀包含1個不分光紅外線分析儀（NDIR），用于測量CO和CO2。此外，排放分析儀還含有測量氮氧化物（NOx）的化學(xué)發(fā)光型分析儀（CLD）和測量未燃燒碳氫化合物（HC）的氫火焰離子型分析儀（FID）。排放分析儀的線性和重復(fù)性在2%以內(nèi)。所有試驗數(shù)據(jù)都是在穩(wěn)態(tài)工況下測量的，試驗在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 000r／min、平均制動有效壓力（BMEP）為0.2～1.0MPa的不同負荷下進行。

2 基本設(shè)計概念

為了研究熱效率的提升潛力，使熱效率超過40%，新開發(fā)了直列4缸2.0L自然吸氣缸內(nèi)直噴樣機。開發(fā)目的是為了減少燃油消耗，發(fā)動機基本設(shè)計概念為高壓縮比、高EGR率和長行程。基于這些概念，對發(fā)動機眾多參數(shù)進行了試驗和評估以研究化學(xué)計量空燃比汽油發(fā)動機熱效率的提升潛力。樣機的詳細參數(shù)見表1。

表1 新2.0L自然吸氣缸內(nèi)直噴發(fā)動機樣機的參數(shù)

3 發(fā)動機參數(shù)優(yōu)化

為了研究發(fā)動機參數(shù)對熱效率的影響及超過40%熱效率的提升潛力，對發(fā)動機的壓縮比、滾流比、雙火花塞結(jié)構(gòu)、EGR率、進／排氣凸輪相位持續(xù)角和零部件摩擦這些參數(shù)進行了試驗研究。根據(jù)試驗結(jié)果分析了每個參數(shù)對燃油消耗的優(yōu)化措施。

3.1 壓縮比優(yōu)化

隨著壓縮比的提高，會導(dǎo)致更高的燃燒溫度和更長的膨脹循環(huán)，其可以提高機械輸出功率、降低排氣溫度，因此提高壓縮比理論上會提高熱效率。然而，在發(fā)動機實際工作過程中，過高的壓縮比會增大爆燃傾向，同時增加摩擦損失和熱傳遞［7－9］。因此，過高的壓縮比反而對燃油消耗和輸出功率有不利影響?，F(xiàn)有的自然吸氣汽油發(fā)動機普遍采用10～12的壓縮比。然而，在新開發(fā)的采用阿特金森循環(huán)和冷卻EGR技術(shù)的汽油發(fā)動機上，壓縮比可以進一步提高［3－6］。針對在發(fā)動機轉(zhuǎn)速保持在2 000r／min的不同工況下，對壓縮比12.6～15.0進行了試驗。圖2示出了不同壓縮比的試驗結(jié)果。每個工況點的試驗，會對發(fā)動機運行參數(shù)如凸輪相位持續(xù)角、噴油器起噴時刻（SOI）、點火角和EGR率進行調(diào)整以達到最優(yōu)熱效率。

從圖2可得，壓縮比從12.6提高到14.0，燃油消耗明顯減少。對于這些壓縮比，由于冷卻EGR和快速燃燒的作用，燃燒相位可以保持在最佳點火提前角（MBT）點，無需推遲點火時刻以降低爆燃傾向，直到達到BMEP為0.9MPa的負荷工況條件。進一步將壓縮比提高到15，對提高熱效率沒有影響。尤其在高負荷工況下，壓縮比為15的最優(yōu)燃油消耗（BSFC）相較于壓縮比為14的BSFC有所增加，壓縮比為15的MFB50顯示燃燒相位有所推遲，這是由于爆燃傾向增大導(dǎo)致的。得出的結(jié)論是最優(yōu)壓縮比為14，試驗時在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 000r／min的工況下得到的BSFC最低。為了采用大于14的壓縮比，并充分發(fā)掘減少燃油消耗的措施，需要更好地抑制爆燃。但是最終的試驗結(jié)果顯示抑制爆燃的效果不明顯。

圖2 壓縮比12.6～15.0的影響

3.2 雙火花塞結(jié)構(gòu)

可靠的點火系統(tǒng)對提高火花點燃式發(fā)動機的燃燒質(zhì)量起著重要作用。由于目前新開發(fā)的汽油發(fā)動機具有較高的缸內(nèi)氣流運動和高度廢氣稀釋特征，實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的點火尤其重要。多火花塞結(jié)構(gòu)在早期的發(fā)動機上采用過［10］，其提高了火焰?zhèn)鞑ニ俣?、增強了燃燒穩(wěn)定性。通過采用多火花塞點火，燃燒可以從多個位置同時開始傳播，這樣就縮短了每個火焰前鋒在燃燒室的傳播距離。同時提高了燃燒速度并降低了氣體末端自燃的可能性。此外，多火花塞點火通過降低過度延伸和熱傳遞帶來的熄火，從而提高了火焰成功起燃的可能性。因此，發(fā)動機不穩(wěn)定工況的循環(huán)變動可以明顯減小。表2示出了試驗用雙火花塞系統(tǒng)的詳細結(jié)構(gòu)。為了布置雙火花塞，對燃燒室進行了重新設(shè)計。氣門的尺寸和安裝角度的重新布置為火花塞布置預(yù)留了充足的空間。兩個火花塞位于進氣門和排氣門之間的燃燒室中間位置，從而使火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x相同。

表2 雙火花塞和單火花塞結(jié)構(gòu)的對比

在雙火花塞效果試驗驗證前進行了燃燒仿真。采用的STAR-CD（計算流體力學(xué)（CFD）軟件之一）進行仿真，其中模擬的工況為發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000r／min和BMEP 0.8MPa。圖3示出了單火花塞和雙火花塞結(jié)構(gòu)燃燒過程中局部溫度特性的仿真對比。從圖3中可以清晰地看出雙火花塞點火時火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x大大縮短，燃燒完成的更快。

圖3 單火花塞和雙火花塞結(jié)構(gòu)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘腃FD仿真對比

圖4 單火花塞和雙火花塞結(jié)構(gòu)燃燒特性的試驗對比

圖4 示出了發(fā)動機在轉(zhuǎn)速為2 000r／min的不同工況下的試驗結(jié)果。從試驗結(jié)果中可以確認雙火花塞極大地縮短了初期和主火焰?zhèn)鞑テ诘娜紵掷m(xù)期。另外，由于燃燒穩(wěn)定性的增強，EGR率可以提高到35%。另一方面，圖4示出了基于滾流比0.9的試驗結(jié)果。隨著滾流比增加，雙火花塞的優(yōu)勢相對減弱。根據(jù)試驗結(jié)果可以得出，當(dāng)發(fā)動機滾流比為1.5時，雙火花塞結(jié)構(gòu)對燃燒和BSFC也會有所改善。

3.3 滾流比優(yōu)化

缸內(nèi)氣流運動產(chǎn)生的湍流對于提高燃燒速度和增強燃燒穩(wěn)定性至關(guān)重要。點火時的湍流強度與初期火焰發(fā)展有很大的關(guān)系，初期火焰發(fā)展是影響燃燒穩(wěn)定性的主要參數(shù)。因此，增強的湍流極大地增強了高廢廢氣稀釋的EGR工況下的燃燒穩(wěn)定性。另外，缸內(nèi)湍流增強帶來的更快速的燃燒同時也使得發(fā)動機在高負荷工況時具有更高的熱效率。這是由于在末端氣體達到后燃期前已經(jīng)完全燃燒，從而縮短了燃燒持續(xù)期、減少了排氣能量。因此，增強缸內(nèi)湍流對于高效率汽油發(fā)動機非常重要。

滾流運動是最有效的缸內(nèi)充量運動，其可以帶來缸內(nèi)湍流。大規(guī)模且持續(xù)時間長的滾流可以在點火上止點附近形成強的湍流。

圖5示出了進氣道與滾流相關(guān)的設(shè)計參數(shù)。重新設(shè)計了進氣道形狀以產(chǎn)生更強的滾流運動。主要設(shè)計思路是氣流A以較高運動密度的直線形狀進入缸內(nèi)，氣流B被“2”處的尖棱和“1”處直線形狀的氣體引流所限制。因此，開發(fā)了3種不同的具有高滾流特征的進氣道。每種進氣道的滾流比和流量系數(shù)都按照Ricardo滾流測試方法在穩(wěn)態(tài)流量試驗臺上進行了測試。3種進氣道的滾流比測試結(jié)果分別為0.9、1.2和1.5。圖6示出了試驗發(fā)動機和其他競品發(fā)動機的滾流比和流量系數(shù)的散點圖，其中的數(shù)據(jù)收集于2014年。

圖5 高滾流比進氣道的設(shè)計參數(shù)

圖6 滾流比和流量系數(shù)散點圖

圖7 不同EGR率工況下不同滾流比的COV趨勢

圖7 示出了在不同EGR率工況下不同滾流比的總IMEP的COV趨勢。在低負荷工況下，滾流比對EGR偏差和燃燒穩(wěn)定性有明顯影響，然而在高負荷工況下影響效果減弱。所以在高負荷工況下，滾流比對燃燒速度和EGR偏差的影響可以忽略。雙火花塞和增強滾流運動對于燃燒有相似的影響。這兩種措施都提高了燃燒速度和穩(wěn)定性。因此，在雙火花塞點火發(fā)動機的高負荷工況下高滾流的影響似乎并不明顯。另外，研究中發(fā)現(xiàn)滾流對燃油消耗的影響相對較小。下一階段將在保證最大輸出功率的前提下，根據(jù)滾流比與流量系數(shù)之間的平衡關(guān)系選擇合適的滾流比。

3.4 冷卻EGR的高度稀釋

汽油發(fā)動機運用EGR技術(shù)可以降低爆燃傾向、泵氣損失和排氣溫度。EGR通過其高熱容量降低排氣溫度，具有明顯的抑制爆燃效果。另外，EGR降低了泵氣損失。研究中采用了冷卻EGR來提高低負荷和高負荷工況的發(fā)動機熱效率。

圖8示出了發(fā)動機上不同的EGR入口布置。本文中對兩種不同的結(jié)構(gòu)進行了試驗。一種是EGR入口在節(jié)氣門下游，另一種是EGR入口直接連接到進氣歧管的每個進氣道。

圖8 兩種不同EGR入口布置和EGR系統(tǒng)布局的展示

圖9 示出了兩種EGR系統(tǒng)BSFC和各缸IMEP差異的對比。對比試驗在滾流比為1.0的雙火花塞發(fā)動機上進行。節(jié)氣門體下游布置的EGR具有良好的各缸分配均勻性，能夠使新鮮空氣和EGR充分混合。與另一種系統(tǒng)相比，節(jié)氣門體下游布置的EGR可以實現(xiàn)較高的EGR率和較低的BSFC。但是也存在如節(jié)氣門結(jié)垢和進氣歧管中有冷凝水的缺點。然而，與進氣道布置導(dǎo)致的EGR分配不均勻的缺點相比，這些問題更容易解決。

圖9 EGR入口1和入口2的BSFC和各缸IMEP差異的對比

圖10 示出了在發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000r／min，整個BMEP范圍工況下EGR對BSFC的影響。試驗在滾流比為1.2、壓縮比為14的雙火花塞發(fā)動機上進行。燃油消耗改善隨著BMEP和EGR率的增加而提高。在低負荷工況下，由于降低了泵氣損失，使燃油消耗得到了改善。與高負荷工況下縮短燃燒持續(xù)期的影響相比，這種影響相對較小。圖11示出了在BMEP 0.8 MPa工況下各EGR率下的BSFC、MFB50、排氣溫度、泵氣平均有效壓力（PMEP）、缸內(nèi)壓力和放熱率。EGR率高達35%時BSFC降低了6%，主要是由于高EGR率明顯地抑制了爆燃。由于較高的EGR率和較低的燃燒溫度，燃燒相位可以提前到更優(yōu)的時刻，同時能保證最小的排氣損失。

圖10 發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 000r／min時冷卻EGR的影響

3.5 換氣過程優(yōu)化

阿特金森循環(huán)利用進氣門晚關(guān)策略，通過降低泵氣損失和優(yōu)化燃燒相位來提高燃油經(jīng)濟性。阿特金森循環(huán)在保持作功行程不變時縮短了壓縮行程，可以有效降低壓縮行程結(jié)束時的壓力和溫度，從而抑制爆燃現(xiàn)象。為了評估進氣門晚關(guān)對燃油消耗的影響，對固定進氣門開啟時刻的不同進氣凸輪相位持續(xù)角進行了試驗。圖12示出了試驗用凸輪型線，圖13示出了在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 000r／min時240°CA和280°CA 進氣凸輪相位持續(xù)角的試驗結(jié)果比較。試驗在雙火花塞、壓縮比14和滾流比1.2的發(fā)動機上進行。在無EGR時，由于PMEP降低和燃燒時刻提前，燃油消耗減少了達2%～5%（如圖14）。然而，有EGR時進氣門晚關(guān)的燃油消耗減少低于3%，這與降低泵氣損失和抑制爆燃的結(jié)果相似。然而，可以得出的結(jié)論的是進氣門晚關(guān)可以幫助減少高EGR率工況下的燃油消耗。

圖11 發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000r／min和BMEP 0.8MPa時冷卻EGR的影響

圖12 試驗用凸輪型線

圖13 不同凸輪相位持續(xù)角和有無EGR時的BSFC曲線

圖14 280°CA進氣凸輪相位持續(xù)角（進氣門晚關(guān)）時有無

圖15 不同排氣相位持續(xù)角的影響

圖15 示出了排氣凸輪相位持續(xù)角對BSFC和燃燒相位的影響。在低負荷工況時，大的排氣凸輪相位持續(xù)角能夠有效幫助利用內(nèi)部EGR和降低泵氣損失的措施。然而，在高負荷接近最佳區(qū)域時對爆燃特性不利。這是由于排氣換氣持續(xù)角較大導(dǎo)致的排氣脈沖作用惡化和缸內(nèi)殘留氣體惡化。因此選用了相位持續(xù)角較小的排氣凸輪以達到最佳區(qū)域的最優(yōu)熱效率。

3.6 降低發(fā)動機摩擦

汽油發(fā)動機的摩擦損失主要來自于軸承、泵和附件驅(qū)動。表3總結(jié)了降低各零部件摩擦損失的技術(shù)。如圖16所示與基礎(chǔ)發(fā)動機相比，平均摩擦有效壓力（FMEP）降低了約15%。

表3 降低摩擦損失技術(shù)的參數(shù)

圖16 倒拖工況下FMEP的對比

4 熱效率提升

圖17示出了優(yōu)化的樣機和基礎(chǔ)發(fā)動機在最大熱效率工況下的能量平衡對比。首先，通過BSFC和熱量計測量的低熱值計算得到最大熱效率。通過排放物的焓與流量的乘積計算得到排氣熱損失。燃燒產(chǎn)物中的CO、HC和H2用于計算未燃燒損失。此外，F(xiàn)MEP和PMEP用于計算摩擦損失和泵氣損失。除了上述能量以外，剩余的能量為冷卻損失和傳熱損失。新發(fā)動機的最大熱效率從之前的38.3%提升到42.2%?；谌紵辔粌?yōu)化而減少的排氣熱損失占的比例最大，同時更有效的燃燒和較低的摩擦損失對提升熱效率也有幫助。然而，高壓縮比和燃燒相位提前增加了冷卻損失和傳熱損失。

圖17 熱平衡對比

計算得到的最終有效熱效率達到了42.2%。下一階段的研究實現(xiàn)目標是功率提升超過55.15kW的汽油機熱效率。另外，對渦輪增壓系統(tǒng)、長行程概念和稀薄燃燒策略的研究都將是未來研究工作目標之一。

5 結(jié)語

全新開發(fā)了直列4缸2.0L自然吸氣缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機樣機。發(fā)動機設(shè)計的概念是高壓縮比、高EGR率、長行程，旨在減少燃油消耗。對眾多發(fā)動機參數(shù)進行試驗和評估以研究化學(xué)計量空燃比汽油發(fā)動機熱效率的提升潛力。其中試驗和評估結(jié)論如下：

（1）試驗和對比了12.6～15.0的壓縮比。試驗發(fā)現(xiàn)壓縮比為14時的熱效率最高。進一步提高壓縮比到15，其對提升熱效率無效果，這是由于爆燃和燃燒相位惡化所導(dǎo)致的。

（2）雙火花塞比單火花塞的燃燒更快。因此，雙火花塞能夠提升燃燒穩(wěn)定性，極端稀釋工況時EGR率接近35%。

（3）從滾流比0.9到1.5的試驗結(jié)果看，滾流比越高，低負荷工況的燃燒越穩(wěn)定。然而，在高負荷工況并且采用雙火花塞結(jié)構(gòu)時，提高滾流比收效甚微。

（4）較高的缸內(nèi)湍流和雙火花塞結(jié)構(gòu)使得EGR率達到35%時也可以實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。并且燃油消耗減少了2%～6%。

（5）優(yōu)化進氣凸輪使其具有較大的相位持續(xù)角，并有助于實現(xiàn)進氣門晚關(guān)策略。燃油消耗減少了1.9%～2.8%。大的排氣凸輪相位持續(xù)角可以有效降低低負荷工況下的泵氣損失。然而，在高負荷接近最佳區(qū)域時對爆燃特性不利。

（6）應(yīng)用了可變排量機油泵和細主軸頸等降低摩擦損失的技術(shù)，機械摩擦損失降低約15%。

（7）基于上述優(yōu)化結(jié)果，得到在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 000r／min和BMEP為0.8MPa工況下，發(fā)動機樣機的最大制動（有效）熱效率可以達到42.2%。